模擬電子線路第1章(G)

1、第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之一、半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。間的物質(zhì)。 單質(zhì)半導(dǎo)體：碳單質(zhì)半導(dǎo)體：碳(C)、硅、硅(Si)、鍺、鍺(Ge) 化合物半導(dǎo)體：磷化鎵、砷化鎵、磷砷化化合物半導(dǎo)體：磷化鎵、砷化鎵、磷砷化 鎵等鎵等化學(xué)元素周期表化學(xué)元素周期表化學(xué)元素周期表.mht14硅原子模型硅原子模型14284簡(jiǎn)化表示法簡(jiǎn)化表示法44二、本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)二、本征半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)晶體：原子、分子完全按照嚴(yán)格的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)晶體：原子、分子完全按照嚴(yán)格的周期性

2、重復(fù)排列的物質(zhì) 稱為晶體。稱為晶體。 （物質(zhì)的構(gòu)成由其原子排列特點(diǎn)而定。（物質(zhì)的構(gòu)成由其原子排列特點(diǎn)而定。 原子呈周期性排列的固體物質(zhì)叫做原子呈周期性排列的固體物質(zhì)叫做晶體晶體，原子呈無(wú)序排，原子呈無(wú)序排 列的叫做列的叫做非晶體非晶體，介于這兩者之間的叫做，介于這兩者之間的叫做準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體。）。） 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱為晶格。晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點(diǎn)陣，稱為晶格。價(jià)電子：原子核最外層的電子。價(jià)電子：原子核最外層的電子。共用電子：相鄰原子的價(jià)電子共用。共用電子：相鄰原子的價(jià)電子共用。硅晶體的立體結(jié)構(gòu)硅晶體的立體結(jié)構(gòu)鉆石結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵（共價(jià)鍵（Covalenc

3、e Bond）的示意圖）的示意圖圖圖1.1.1 本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子激發(fā)：激發(fā)：半導(dǎo)體受外界因素的影響，產(chǎn)生半導(dǎo)體受外界因素的影響，產(chǎn)生“電子電子空穴對(duì)空穴對(duì)”的的過(guò)程。過(guò)程。特點(diǎn)：特點(diǎn)：a. 激發(fā)激發(fā)形成兩種載流子：形成兩種載流子：自由電子自由電子與與空穴空穴。b. 自由電子數(shù)自由電子數(shù) = 空穴數(shù)?？昭〝?shù)。c. 兩種載流子參加導(dǎo)電。兩種載流子參加導(dǎo)電。d. 導(dǎo)電性能與激發(fā)因素有很大關(guān)系。導(dǎo)電性能與激發(fā)因素有很大關(guān)系。圖圖1.1.2 本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴四、本征半導(dǎo)體中的載流子濃度

4、四、本征半導(dǎo)體中的載流子濃度1. 復(fù)合復(fù)合：自由電子遇到空穴，兩者同時(shí)消失的過(guò)程。：自由電子遇到空穴，兩者同時(shí)消失的過(guò)程。3. 在一定的條件下，載流子的數(shù)目是一定的。在一定的條件下，載流子的數(shù)目是一定的。4. 本征載流子的濃度計(jì)算公式：本征載流子的濃度計(jì)算公式：2. 動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡：在激發(fā)因素不變的情況下，：在激發(fā)因素不變的情況下，激發(fā)激發(fā) 復(fù)合復(fù)合式中：式中：K1 常系數(shù)，硅為常系數(shù)，硅為 3.871016 cm-3K-3/2 鍺為鍺為 1.761016 cm-3K-3/2T 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度k 波爾茨曼常數(shù)，波爾茨曼常數(shù)， 8.63 10-5 eV/KEGO 禁帶寬度，硅為禁帶寬度，

5、硅為 1.21 eV，鍺為，鍺為0.785eV1eV(電子伏電子伏) 1.60218910-19 焦耳焦耳kTEiiGOeTKpn2231 （1.1.1）cm-3例：計(jì)算例：計(jì)算300K時(shí)的硅載流子濃度時(shí)的硅載流子濃度kTEiiGOeTKpn2231 解：由公式（解：由公式（1.1.1）（cm-3）3001063. 8221. 123165718. 23001087. 3 -1116107.11951961087. 3 10101.4381431525538 （基本公式）（基本公式）（代入數(shù)據(jù)）（代入數(shù)據(jù)）（計(jì)算過(guò)程）（計(jì)算過(guò)程）（結(jié)果）（結(jié)果）（cm-3）T = 0K時(shí)，自由電子與空穴的濃度

6、均為零。時(shí)，自由電子與空穴的濃度均為零。在一定范圍內(nèi)，溫度升高，本征半導(dǎo)體的載流子的在一定范圍內(nèi)，溫度升高，本征半導(dǎo)體的載流子的濃度近似按指數(shù)曲線升高。濃度近似按指數(shù)曲線升高。常溫下（常溫下（ T = 300K時(shí)時(shí) ）：）： 硅材料的本征載流子濃度：硅材料的本征載流子濃度：ni = pi = 1.43 1010 cm-3鍺材料的本征載流子濃度：鍺材料的本征載流子濃度：ni = pi = 2.38 1013 cm-31.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素,得到得到雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。一、一、N型半導(dǎo)體

7、型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入在本征半導(dǎo)體中摻入5價(jià)元素，形成價(jià)元素，形成N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。摻雜：摻雜：圖圖1.1.3 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻入的雜質(zhì)原子稱為施主原子。摻入的雜質(zhì)原子稱為施主原子。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能越強(qiáng)。（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能越強(qiáng)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：自由電子自由電子的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的數(shù)目，稱為大于空穴的數(shù)目，稱為多子；多子；空穴空穴稱為稱為少子少子。二、二、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入在本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)元素，形成價(jià)元素，形成P型半導(dǎo)體。型

8、半導(dǎo)體。圖圖1.1.4 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體二、二、P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體特點(diǎn)：特點(diǎn)：空穴空穴的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子的數(shù)目，大于自由電子的數(shù)目，稱為稱為多子；多子；自由電子自由電子稱稱為為少子少子。摻入的雜質(zhì)原子稱為受主原子。摻入的雜質(zhì)原子稱為受主原子。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（空型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能越強(qiáng)。穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能越強(qiáng)。由于空穴的遷移率遠(yuǎn)小于自由電子，所以由于空穴的遷移率遠(yuǎn)小于自由電子，所以P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能比性能比N型半導(dǎo)體差。型半導(dǎo)體差。分析：載流子產(chǎn)生的原因不同分析：載流子產(chǎn)

9、生的原因不同本征半導(dǎo)體：載流子由激發(fā)產(chǎn)生，本征半導(dǎo)體：載流子由激發(fā)產(chǎn)生，ni = np，載流子濃度與溫，載流子濃度與溫 度有關(guān)。度有關(guān)。雜質(zhì)半導(dǎo)體：載流子主要由摻雜產(chǎn)生，多子濃度約等于雜雜質(zhì)半導(dǎo)體：載流子主要由摻雜產(chǎn)生，多子濃度約等于雜 質(zhì)濃度，與溫度無(wú)關(guān)；少子濃度與溫度有關(guān)，質(zhì)濃度，與溫度無(wú)關(guān)；少子濃度與溫度有關(guān)， 決定了半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性。決定了半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性。硅的外觀硅的外觀金屬與半導(dǎo)體材料的電阻率比較金屬與半導(dǎo)體材料的電阻率比較材料名稱材料名稱電阻率電阻率（m）Cu（倍）（倍）溫度系數(shù)溫度系數(shù)（K-1）銀銀Silver1.6210-80.954.110-3銅銅Copper1.691

10、0-81.004.310-3鋁鋁Aluminum2.7510-81.024.410-3鐵鐵Iron9.6810-81.516.510-3本征硅本征硅Silicon,Pure2.51031.491011-7010-3N型硅型硅Silicon,n-type8.710-45.15104P型硅型硅Silicon,p-type2.810-31.66105玻璃玻璃Glass101010145.921018石英石英Fused Quartz1016本征硅晶體的用途本征硅晶體的用途 多用于制造敏感元件，例如光敏電阻、多用于制造敏感元件，例如光敏電阻、熱敏電阻等，可以把非電物理量（例如光熱敏電阻等，可以把非電物理

11、量（例如光照強(qiáng)度、溫度）轉(zhuǎn)換為電量（例如電阻、照強(qiáng)度、溫度）轉(zhuǎn)換為電量（例如電阻、電壓、電流）。電壓、電流）。光敏電阻的應(yīng)用舉例光敏電阻的應(yīng)用舉例數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與激發(fā)因素（溫度、光照、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與激發(fā)因素（溫度、光照、射線）有很大關(guān)系。射線）有很大關(guān)系。所以本征半導(dǎo)體可以用來(lái)制作敏感元件，例如溫度所以本征半導(dǎo)體可以用來(lái)制作敏感元件，例如溫度傳感器、光電傳感器等。傳感器、光電傳感器等。但是，這一特點(diǎn)又造成半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性差。但是，這一特點(diǎn)又造成半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性差。雜質(zhì)半導(dǎo)體的穩(wěn)定性比本征半導(dǎo)體要好得多。雜質(zhì)半導(dǎo)體的穩(wěn)定性比本征半導(dǎo)體要好得多。1.1.3 PN結(jié)

12、結(jié)一、一、PN結(jié)的形成結(jié)的形成將將P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，其交界面就形成了結(jié)。其交界面就形成了結(jié)。結(jié)結(jié)1.1.3 PN結(jié)結(jié)一、一、PN結(jié)的形成結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果：形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果：形成“空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)”，又稱，又稱“勢(shì)壘層勢(shì)壘層”擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，形成空間電荷區(qū)和內(nèi)電場(chǎng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，形成空間電荷區(qū)和內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)勢(shì)壘層勢(shì)壘層漂移運(yùn)動(dòng)：在漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)力電場(chǎng)力的作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)的作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)少子的運(yùn)動(dòng)方式少子的運(yùn)動(dòng)方式圖圖1.1.5 PN結(jié)

13、的形成結(jié)的形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流 漂移電流漂移電流 形成形成PN結(jié)結(jié) 1. 正向偏置正向偏置：PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)接外電源的正極，區(qū)接外電源的正極，N區(qū)接區(qū)接外電源的負(fù)極稱為外電源的負(fù)極稱為“正向連接正向連接”，也叫做，也叫做“正向正向偏置偏置”。2. 反向偏置反向偏置：PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)接外電源的負(fù)極，區(qū)接外電源的負(fù)極，N區(qū)接區(qū)接外電源的正極，稱為外電源的正極，稱為“反向連接反向連接”，也叫做，也叫做“反反向偏置向偏置”二、二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦詧D圖1.1.6 PN結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通結(jié)加正向電壓時(shí)導(dǎo)通圖圖1.1.7 PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止結(jié)加反向電壓時(shí)截止P

14、N結(jié)單向?qū)щ娦缘奶攸c(diǎn)結(jié)單向?qū)щ娦缘奶攸c(diǎn)1.正向?qū)?、反向截止；正向?qū)?、反向截止?.正向電阻小、反向電阻大；正向電阻小、反向電阻大；3.反向電流小、正向電流大；反向電流小、正向電流大；4.正向電流是正向電流是多子的擴(kuò)散電流，多子的擴(kuò)散電流，與外加電壓有關(guān)，與外加電壓有關(guān)，電壓越高，電流越大；電壓越高，電流越大；5.反向電流是反向電流是少子的漂移電流少子的漂移電流，稱為：，稱為：反向飽和反向飽和電流。電流。與外加電壓無(wú)關(guān)，與激發(fā)有關(guān)。與外加電壓無(wú)關(guān)，與激發(fā)有關(guān)。三、三、PN結(jié)的電流方程結(jié)的電流方程 PN結(jié)的電流方程描述結(jié)的電流方程描述PN結(jié)兩端結(jié)兩端電壓電壓與與流過(guò)流過(guò)PN結(jié)的結(jié)的電流電流的關(guān)

15、系。的關(guān)系。PN結(jié)的伏安特性式結(jié)的伏安特性式)(1TDUUSDeIi式中：式中：iD 流過(guò)流過(guò)PN結(jié)的電流結(jié)的電流UD PN結(jié)兩端的電壓結(jié)兩端的電壓IS 反向飽和電流反向飽和電流qkTUTUT 溫度電壓當(dāng)量溫度電壓當(dāng)量(熱電壓熱電壓)，300K時(shí)約為時(shí)約為26mVk 玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23 (JK-1) q 電子電量，電子電量，1.60210-19 CT 絕對(duì)溫標(biāo)，室溫為絕對(duì)溫標(biāo)，室溫為300K PN結(jié)伏安特性式的含義結(jié)伏安特性式的含義1. 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，結(jié)正向偏置時(shí)，iD與與UD之間呈指數(shù)關(guān)系。之間呈指數(shù)關(guān)系。2.當(dāng)正向電壓當(dāng)正向電壓UT（26mV）時(shí)，可簡(jiǎn)化

16、為：）時(shí)，可簡(jiǎn)化為：TDUUSDeIiUD2.6mV26mV260mV1V1.5V2.6V0.111038.557.71001.102.718220265.25e+161.14e+252.69e+43TDUUX xe3. 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，結(jié)反向偏置時(shí)， SSUUSUUSDIIeIeIiTDTD 1011)1(UD 0例題：例題：長(zhǎng)江三峽發(fā)電廠裝機(jī)容量長(zhǎng)江三峽發(fā)電廠裝機(jī)容量-1820萬(wàn)瓩萬(wàn)瓩=182億瓦億瓦這顯然是不可能的。后果必然是：或者燒毀二極管，或者使電池短路損這顯然是不可能的。后果必然是：或者燒毀二極管，或者使電池短路損壞。壞。是否允許將是否允許將1.5V的干電池以正向接法接至二極

17、管的兩端？為什么？的干電池以正向接法接至二極管的兩端？為什么？答：不允許。這將導(dǎo)致二極管燒毀或電池短路損壞。答：不允許。這將導(dǎo)致二極管燒毀或電池短路損壞。由由PN結(jié)伏安特性式計(jì)算可知：當(dāng)結(jié)伏安特性式計(jì)算可知：當(dāng) UD = 1.5V 時(shí)，時(shí)，252615001014. 1)1()1( SSUUSDIeIeIITD（A）這時(shí)，即使二極管的這時(shí)，即使二極管的 IS 很小，例如很小，例如 nA 數(shù)量級(jí)（數(shù)量級(jí)（10-9 A），），有：有： ID 10-9 1.141025 = 1.141016 （A）根據(jù)計(jì)算，干電池輸出功率將達(dá)到：根據(jù)計(jì)算，干電池輸出功率將達(dá)到： P = UI = 1.5V 1.14

18、1016 （A）=1.711016 （W）= 1.71 億億億億 （W）三峽水庫(kù)壇子嶺介紹：發(fā)電容量三峽水庫(kù)壇子嶺介紹：發(fā)電容量長(zhǎng)江三峽的裝機(jī)容量長(zhǎng)江三峽的裝機(jī)容量PN結(jié)電流方程的推導(dǎo)結(jié)電流方程的推導(dǎo)1. 首先分析平衡狀態(tài)下載流子濃度與內(nèi)電場(chǎng)首先分析平衡狀態(tài)下載流子濃度與內(nèi)電場(chǎng) 電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系；電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系；2. 分析在非平衡狀態(tài)下（即外加電壓作用下）分析在非平衡狀態(tài)下（即外加電壓作用下）載流子在耗盡層的電流密度與所加電壓的載流子在耗盡層的電流密度與所加電壓的關(guān)系。關(guān)系。3. 從而得到電流與電壓間的函數(shù)關(guān)系。從而得到電流與電壓間的函數(shù)關(guān)系。圖圖1.1.8 PN結(jié)平衡時(shí)載流子的分布結(jié)平衡時(shí)載流

19、子的分布載流子為零載流子為零圖圖1.1.9 外加正外加正向電壓時(shí)向電壓時(shí)PN結(jié)載流子的分布結(jié)載流子的分布四、PN結(jié)的伏安特性UO0.5VUON0.7V反向區(qū)反向區(qū)截止區(qū)截止區(qū)導(dǎo)通區(qū)導(dǎo)通區(qū)正向區(qū)正向區(qū)圖圖1.1.8二極管伏安特性曲線二極管伏安特性曲線UO死區(qū)死區(qū)UONU(BR)0ABCD二極管伏安特性曲線的三個(gè)區(qū)二極管伏安特性曲線的三個(gè)區(qū)正向?qū)▍^(qū)正向?qū)▍^(qū)1. 死區(qū)（死區(qū)（O-A）；）；2. 導(dǎo)通區(qū)（線性區(qū)導(dǎo)通區(qū)（線性區(qū)A-B）；）；反向截止區(qū)反向截止區(qū)3. 截止區(qū)（截止區(qū)（O-C）;4. 擊穿區(qū)（擊穿區(qū)（C-D）。）。 高摻雜：齊納擊穿（高摻雜：齊納擊穿（|UB | 4 V）; 低摻雜：雪崩

20、擊穿（低摻雜：雪崩擊穿（|UB | 6 V）;五、五、PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)LSC電容器充電電容器充電電容器放電電容器放電五、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容Cb：反向偏置的：反向偏置的PN結(jié)，勢(shì)壘層的離子數(shù)隨結(jié)，勢(shì)壘層的離子數(shù)隨 外加電壓改變外加電壓改變2. 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容Cd：正向偏置的：正向偏置的PN結(jié)，多子濃度隨正向電結(jié)，多子濃度隨正向電 壓的高低而變化。壓的高低而變化。圖1.1.9 PN結(jié)的勢(shì)壘電容圖1.1.10 P區(qū)少子濃度分布曲線外加電壓大外加電壓大外加電壓小外加電壓小1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖1.2.1 二極管的幾種外形1.2.1 半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)

21、半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)圖1.2.2 二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)參考參考. 硅圓片工藝硅圓片工藝晶片: 只含有極少“缺陷”的單晶硅襯底圓片?！癈Z法”生長(zhǎng)單晶硅（晶體拉晶儀）目前晶體化的制程，大多是目前晶體化的制程，大多是采柴可拉斯基采柴可拉斯基( (CzycraskyCzycrasky) ) 拉晶法拉晶法 (CZ(CZ法法) )。將一塊稱為籽晶的單晶硅。將一塊稱為籽晶的單晶硅浸入熔融硅中，然后在旋轉(zhuǎn)浸入熔融硅中，然后在旋轉(zhuǎn)籽晶的同時(shí)緩慢地把其從熔籽晶的同時(shí)緩慢地把其從熔融硅中拉起。結(jié)果，就形成融硅中拉起。結(jié)果，就形成圓柱形的大單晶棒。圓柱形的大單晶棒。生長(zhǎng)時(shí)，可在熔融硅中摻入生長(zhǎng)時(shí)，可在熔融硅中

22、摻入雜質(zhì)來(lái)獲得期望的電阻率雜質(zhì)來(lái)獲得期望的電阻率 。晶圓尺寸： 寸寸 是是 寸寸 是標(biāo)準(zhǔn)的是標(biāo)準(zhǔn)的寸是標(biāo)準(zhǔn)的寸是標(biāo)準(zhǔn)的 300mm商用直拉單晶硅切割后、加工過(guò)電路的硅圓片單晶硅棒 (300mm)大單晶棒切成薄的圓片（wafer） 在大多數(shù)CMOS工藝中，圓片的電阻率為0.05到0.1cm，厚度約為500到1000微米。chip硅硅 園園 晶晶光刻加工后，已切片，沒(méi)分離之前光刻加工后，已切片，沒(méi)分離之前已分離裝盒已分離裝盒專業(yè)加工后專業(yè)加工后裝在印刷線路板上裝在印刷線路板上1.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性圖1.2.3 二極管的伏安特性溫度升高，使溫度升高，使Uon降低，降低，Is變大

23、。變大。曲線向縱軸靠近曲線向縱軸靠近1.2.3 二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流最大整流電流 IF(2)最高反向工作電壓最高反向工作電壓 UR(3)反向電流反向電流 IR(4)最高工作頻率最高工作頻率 fM1.2.4 二極管的等效電路一、由伏安特性折線化得到的等效電路一、由伏安特性折線化得到的等效電路(a) uD 0，二極管導(dǎo)通；，二極管導(dǎo)通；u D 0.7 V，二極管導(dǎo)通；，二極管導(dǎo)通； uD U- 二極管導(dǎo)通，否則截止二極管導(dǎo)通，否則截止 計(jì)算輸出電壓計(jì)算輸出電壓求求Uo方法：方法： 將二極管移去將二極管移去 求求U+，U- U+ U- 二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通U+U-U+ = 2V ， U

24、- = -2VUo4= -2V + 0.7V = -1.3V 計(jì)算輸出電壓計(jì)算輸出電壓0.7V求求Uo方法：方法： 將二極管移去將二極管移去 求求U+，U- U+ U- 二極管導(dǎo)通，否則截止二極管導(dǎo)通，否則截止 計(jì)算輸出電壓計(jì)算輸出電壓1.3V0V-1.3V2V1.3V-2V1.2.5 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，在一穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，在一定的電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變，表現(xiàn)定的電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性。出穩(wěn)壓特性。一、穩(wěn)壓管的伏安特性一、穩(wěn)壓管的伏安特性見圖見圖1.2.10 (a)圖圖1.2.10 穩(wěn)壓管的伏安特性和等效電路穩(wěn)壓管的伏安特性和

25、等效電路二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ：在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓值。：在規(guī)定電流下的反向擊穿電壓值。2. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ:3. 額定功耗額定功耗 PZM：4. 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻 rz：5. 溫度系數(shù)溫度系數(shù) ：圖圖1.2.11 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 例例122 在圖在圖1211所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz=6V，最小穩(wěn)定電流，最小穩(wěn)定電流Izm=5mA，最大，最大穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZmax=25mA；負(fù)載電阻；負(fù)載電阻RL=600。求解限流電阻。求解限流電阻R的取值范圍。的取值范

26、圍。解：從圖解：從圖1.2.11所示電路可知，所示電路可知，R上電流上電流 IR等于穩(wěn)壓管中等于穩(wěn)壓管中電流電流 IDZ 和負(fù)載電流和負(fù)載電流 IL 之和，即之和，即 :LDZRIII IDZ=520mAmAK.VRUILZL10606 限流電阻限流電阻R的取值范圍為的取值范圍為114227。1.2.6 其它類型二極管其它類型二極管一、發(fā)光二極管一、發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管的英語(yǔ)名稱是的英語(yǔ)名稱是 LED。 發(fā)光二極管包括可見光、不可見光、激光等不同類型，這發(fā)光二極管包括可見光、不可見光、激光等不同類型，這里只對(duì)可見光發(fā)光二極管做一簡(jiǎn)單介紹。里只對(duì)可見光發(fā)光二極管做一簡(jiǎn)單介紹。發(fā)光二極管

27、的發(fā)光顏色決定于所用材料，目前有發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決定于所用材料，目前有紅紅、綠綠、黃黃、橙橙等色，可以制成各種形狀，等色，可以制成各種形狀，如長(zhǎng)方形，圓形如長(zhǎng)方形，圓形見圖見圖1212(a)所示所示等。等。圖圖1.2.12(b)所示為發(fā)光二極管的符號(hào)。所示為發(fā)光二極管的符號(hào)。 ( light-emitting diode )圖1.2.12 發(fā)光二極管 發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦浴Ｖ挥挟?dāng)外加的發(fā)光二極管也具有單向?qū)щ娦?。只有?dāng)外加的正向電壓使得正向電流足夠大時(shí)才發(fā)光，它的開正向電壓使得正向電流足夠大時(shí)才發(fā)光，它的開啟電壓比普通二極管的大，紅色的在啟電壓比普通二極管的大，紅色的在1.61.8V

28、之之間，綠色的約為間，綠色的約為2V。 正向電流愈大，發(fā)光愈強(qiáng)。使用時(shí)，應(yīng)特別注意正向電流愈大，發(fā)光愈強(qiáng)。使用時(shí)，應(yīng)特別注意不要超過(guò)最大功耗、最大正向電流和反向擊穿電不要超過(guò)最大功耗、最大正向電流和反向擊穿電壓等極限參數(shù)。壓等極限參數(shù)。 發(fā)光二極管因其驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、發(fā)光二極管因其驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于顯示電路之中。可靠性高等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于顯示電路之中。 光電二極管是一種光能與電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的光電二極管是一種光能與電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的器件?？梢詫⒖梢姽饣蚣t外線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。器件?？梢詫⒖梢姽饣蚣t外線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 PN結(jié)型光電二極管充分利用結(jié)型光電二極管充分利用P

29、N結(jié)的光敏結(jié)的光敏特性，將接收到的光的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化。特性，將接收到的光的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化。它的幾種常見外形如圖它的幾種常見外形如圖1.2.13(a)所示，符號(hào)見圖所示，符號(hào)見圖(b) 。二、光電二極管二、光電二極管圖1.2.13 光電二極管的外形和符號(hào)圖1.2.14 光電二極管的伏安特性無(wú)光照：普通二極管特性，正向壓降無(wú)光照：普通二極管特性，正向壓降 Uon 約約1.8V無(wú)光照無(wú)光照有光照：應(yīng)工作在有光照：應(yīng)工作在III象限。象限。無(wú)電源，光電池。無(wú)電源，光電池。 圖圖1214(a)所示為光電二極管的伏安特性。在無(wú)光照所示為光電二極管的伏安特性。在無(wú)光照時(shí)，與普通二極管一樣，具有單

30、向?qū)щ娦?。時(shí)，與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娦浴?外加正向電壓時(shí)，電流與端電壓成指數(shù)關(guān)系，見特性曲外加正向電壓時(shí)，電流與端電壓成指數(shù)關(guān)系，見特性曲線的第一象限；線的第一象限； 外加反向電壓時(shí)，反向電流稱為暗電流，通常小于外加反向電壓時(shí)，反向電流稱為暗電流，通常小于02A。 在有光照時(shí)，特性曲線下移，它們分布在第三、四在有光照時(shí)，特性曲線下移，它們分布在第三、四象限內(nèi)。象限內(nèi)。 在反向電壓的一定范圍內(nèi)，即在第三象限，特性曲在反向電壓的一定范圍內(nèi)，即在第三象限，特性曲線是一組橫軸的平行線。線是一組橫軸的平行線。 光電二極管在零壓下受到光照而產(chǎn)生的電流稱為光光電二極管在零壓下受到光照而產(chǎn)生的電流稱為

31、光電流，光電流受入射照度的控制。照度一定時(shí)，光電二電流，光電流受入射照度的控制。照度一定時(shí)，光電二極管可等效成恒流源。照度愈大，光電流愈大，在光電極管可等效成恒流源。照度愈大，光電流愈大，在光電流大于幾十微安時(shí)，與照度成線性關(guān)系。這種特性可廣流大于幾十微安時(shí)，與照度成線性關(guān)系。這種特性可廣泛用于遙控、報(bào)警及光電傳感器之中。泛用于遙控、報(bào)警及光電傳感器之中。圖圖1.2.15 例圖例圖1.2.3 電路圖電路圖例例123 電路如圖電路如圖1215所示，已知發(fā)光二極管的所示，已知發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓UD = 1.6 V，正向電流為，正向電流為520mA時(shí)才能發(fā)光。時(shí)才能發(fā)光。試問(wèn)：試問(wèn)： (1

32、)開關(guān)處于何種位置時(shí)發(fā)光二極管可能發(fā)光開關(guān)處于何種位置時(shí)發(fā)光二極管可能發(fā)光? (2)為使發(fā)光二極管發(fā)光，電路中為使發(fā)光二極管發(fā)光，電路中R的取值范圍為多少的取值范圍為多少? 解：解：(1)當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)發(fā)光二極管有可能發(fā)光。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)發(fā)光二極管有可能發(fā)光。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)發(fā)光二極管的端電壓為零，因而不可能發(fā)光。發(fā)光二極管的端電壓為零，因而不可能發(fā)光。(2)因?yàn)橐驗(yàn)镮Dmin = 5mA，IDmax = 20mAK8805616IUVRDD.minmaxK22020616IUVRDmavD.min1.3 雙極性晶體管雙極性晶體管1.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及類型圖圖1.3.1 晶體管的幾種常

33、見外形晶體管的幾種常見外形返回返回圖1.3.2 晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)返回返回圖1.3.3 基本共射放大電路返回返回圖1.3.4 晶體管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)與外部電流返回返回二、晶體管的電流分配關(guān)系二、晶體管的電流分配關(guān)系從外部看：從外部看：三、晶體管的共射電流放大系數(shù)三、晶體管的共射電流放大系數(shù)1.3.1 晶體管的共射特性曲線晶體管的共射特性曲線一、輸入特性曲線一、輸入特性曲線圖圖1.3.5 晶體管的輸入特性曲線晶體管的輸入特性曲線二、輸出特性曲線二、輸出特性曲線圖圖1.3.6 晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線晶體管三個(gè)工作區(qū)的條件和特點(diǎn)晶體管三個(gè)工作區(qū)的條件和特點(diǎn)工作區(qū)工作區(qū)條件條件特點(diǎn)特點(diǎn)

34、現(xiàn)象現(xiàn)象截止區(qū)截止區(qū)i B = 0i c= 0uCE=Vcc線性區(qū)線性區(qū)iB 0uCE 0.7V線性放大線性放大uBE 0.7VuCE 0.7V飽和區(qū)飽和區(qū)iB IBSiC = ICSuBE 0.7VuCE UCEX UCES UCER UCEO晶體管安全工作區(qū)如圖晶體管安全工作區(qū)如圖1.3.7所示所示圖圖1.3.7 晶體管的極限參數(shù)晶體管的極限參數(shù)1.3.5 溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響一、溫度對(duì)一、溫度對(duì) ICBO 的影響的影響 因?yàn)橐驗(yàn)?ICBO 是集電結(jié)加反向電壓時(shí)平衡少子的漂移運(yùn)動(dòng)形是集電結(jié)加反向電壓時(shí)平衡少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，所以，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加

35、劇，使更多的價(jià)電子成的，所以，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，使更多的價(jià)電子有足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛，從而使少于濃度明顯增大。有足夠的能量掙脫共價(jià)鍵的束縛，從而使少于濃度明顯增大。因此，參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目增多，從外部看就是因此，參與漂移運(yùn)動(dòng)的少子數(shù)目增多，從外部看就是ICBO增增大?？梢宰C明，大?？梢宰C明，溫度每升高溫度每升高10，ICBO增加約一倍。增加約一倍。反之，當(dāng)溫度降低時(shí)反之，當(dāng)溫度降低時(shí)ICBO減小。減小。 由于硅管的由于硅管的ICBO比鍺管的小得多，所以從絕對(duì)數(shù)值上看，比鍺管的小得多，所以從絕對(duì)數(shù)值上看，硅管比鍺管受溫度的影響要小得多。硅管比鍺管受溫度的影響要小得多。 二、溫度

36、對(duì)輸入特性的影響二、溫度對(duì)輸入特性的影響 與二極管伏安特性相類似，當(dāng)溫度升時(shí)，正向特性將左與二極管伏安特性相類似，當(dāng)溫度升時(shí)，正向特性將左移，反之將右移，如圖移，反之將右移，如圖 138所示。當(dāng)溫度變化所示。當(dāng)溫度變化1時(shí)，時(shí)，|uBE|大約變化大約變化22.5mV，并具有負(fù)溫度系數(shù)，并具有負(fù)溫度系數(shù)，即溫度每升即溫度每升高高1， |uBE|大約下降大約下降22.5mV。圖圖1.3.8 溫度對(duì)晶體管溫度對(duì)晶體管輸入特性的影響輸入特性的影響三、溫度對(duì)輸出特性的影響三、溫度對(duì)輸出特性的影響 圖圖1.3.9所示為一只晶體管在溫度變化時(shí)輸出特性變所示為一只晶體管在溫度變化時(shí)輸出特性變化的示意圖，實(shí)線所

37、示為化的示意圖，實(shí)線所示為20時(shí)的特性曲線，虛線所示為時(shí)的特性曲線，虛線所示為60時(shí)的特性曲線時(shí)的特性曲線,說(shuō)明溫度升高時(shí)說(shuō)明溫度升高時(shí)增大。增大。 圖圖1.3.9 溫度對(duì)晶體管溫度對(duì)晶體管輸出特性的輸出特性的影響影響一般認(rèn)為，溫度每增高一般認(rèn)為，溫度每增高1，將增大將增大1%。 例例1.3.1 現(xiàn)已測(cè)得某電路中幾只晶體管三個(gè)極的直流電位現(xiàn)已測(cè)得某電路中幾只晶體管三個(gè)極的直流電位如表如表132所示，各晶體管所示，各晶體管b-e間開啟電壓間開啟電壓Uon均為均為05V。試分別說(shuō)明各管子的工作狀態(tài)。試分別說(shuō)明各管子的工作狀態(tài)。放大放大飽和飽和放大放大截止截止例例132 在一個(gè)單管放大電路中，電源電

38、壓為在一個(gè)單管放大電路中，電源電壓為30V，已知三只管子的參數(shù)如表已知三只管子的參數(shù)如表133所示，請(qǐng)選用一所示，請(qǐng)選用一只管子，并簡(jiǎn)述理由。只管子，并簡(jiǎn)述理由。晶體管的選用原則：晶體管的選用原則：值要大，值要大，ICBO要小，要小，UCEO要要合適。合適。表表1.3.3例例132 在一個(gè)單管放大電路中，電源電壓為在一個(gè)單管放大電路中，電源電壓為30V，已知三只管子的參數(shù)如表已知三只管子的參數(shù)如表133所示，請(qǐng)選用一所示，請(qǐng)選用一只管子，并簡(jiǎn)述理由。只管子，并簡(jiǎn)述理由。表表1.3.3應(yīng)選用應(yīng)選用T2，因?yàn)榫C合參數(shù)合適。，因?yàn)榫C合參數(shù)合適。1.3.6 光電三極管光電三極管圖圖1.3.10 光電三

39、極管的等效電路、符號(hào)和外形光電三極管的等效電路、符號(hào)和外形光電三極管可等效為一只光電二極管與一只晶體管相連。光電三極管可等效為一只光電二極管與一只晶體管相連。暗電流（暗電流（ICEO）-無(wú)光照時(shí)的集電極電流。約為光電二極無(wú)光照時(shí)的集電極電流。約為光電二極管暗電流的兩倍。管暗電流的兩倍。亮電流（亮電流（ICEO）-有光照時(shí)的集電極電流。約幾毫安。有光照時(shí)的集電極電流。約幾毫安。圖圖1.3.11 光電三極管的輸出特性曲線光電三極管的輸出特性曲線照度增加，照度增加，使使IB增大增大,IC隨隨之增大。之增大。1.4 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管(FET)是利用輸入回路的是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)電

40、場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱又稱單極型晶體管單極型晶體管。場(chǎng)效應(yīng)管不但具備雙極型晶。場(chǎng)效應(yīng)管不但具備雙極型晶體管體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且輸入體管體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且輸入回路的內(nèi)阻高達(dá)回路的內(nèi)阻高達(dá)1071012，噪聲低，熱穩(wěn)定性，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，且比后者耗電省，這些優(yōu)點(diǎn)好，抗輻射能力強(qiáng)，且比后者耗電省，這些優(yōu)點(diǎn)使之從使之從60年代誕生起就廣泛地應(yīng)用于各種電子電年代誕生起就廣泛地應(yīng)用于各種電子電路之中。路之

41、中。Field-Effect Transistor141 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管又有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管又有N溝道和溝道和P溝道兩種類型，溝道兩種類型， 圖圖141(a)是是N溝道管的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖，溝道管的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖， 圖圖(b)為它們的符號(hào)。為它們的符號(hào)。 圖圖1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理圖圖1.4.2 N溝道溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖UGS(off)夾斷電壓夾斷電壓 圖圖1.4.3 uDS 0時(shí)時(shí) uGS 對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(c) 當(dāng)當(dāng) uGS UGS(

42、off) 時(shí)，發(fā)生時(shí)，發(fā)生夾斷夾斷現(xiàn)象?，F(xiàn)象。(a) uGS = 0，導(dǎo)電溝道很寬。，導(dǎo)電溝道很寬。(b) UGS(off) uGS 0，導(dǎo)電溝道變窄。，導(dǎo)電溝道變窄。假設(shè)假設(shè)(UGS(OFF)=-4V)0V-2V-4VuGS、 uGD （柵極電壓）越負(fù)，溝道越窄。（柵極電壓）越負(fù)，溝道越窄。2. uGS為小于零的定值，為小于零的定值，uDS對(duì)漏極電流的影響對(duì)漏極電流的影響 當(dāng)當(dāng)uGS為為UGS(off)0中某一確定值時(shí)，若中某一確定值時(shí)，若 uDS=0，則雖然存在由，則雖然存在由 uGS 所確定的一定寬度的所確定的一定寬度的導(dǎo)電溝道，但由于導(dǎo)電溝道，但由于 ds 間電壓為零，多子不會(huì)間電壓為

43、零，多子不會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，因而漏極電流產(chǎn)生定向移動(dòng)，因而漏極電流 iD 為零為零。 圖圖1.4.4 UGS(off) uGS 0的情況的情況uDS 0時(shí)，有電流流過(guò)導(dǎo)電溝道，時(shí)，有電流流過(guò)導(dǎo)電溝道，uGD ( = uG uD) uGS( = uG 0)導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 d 端要比端要比 s 端窄端窄例：例：uGS = -2VuDS = 1V1V-2V-3VuGD = uG - uD= -2 -1= -3(V)uGD uGS圖圖1.4.4 UGS(off) uGS 0的情況的情況 uGS UGS(off) s 端不夾斷端不夾斷uDS升高，將使升高，將使uGD變的更負(fù)。當(dāng)變的更負(fù)。當(dāng)uGD = U

44、GS(off)時(shí)，時(shí)，在在d端發(fā)生夾斷現(xiàn)象，端發(fā)生夾斷現(xiàn)象，稱為稱為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。2V-4V-2V預(yù)夾斷之后，預(yù)夾斷之后，uDS 繼續(xù)增大增大，預(yù)夾斷區(qū)將繼續(xù)增大增大，預(yù)夾斷區(qū)將向向S端延長(zhǎng)。端延長(zhǎng)。一方面自由電子從漏極向源極定向移動(dòng)所受阻一方面自由電子從漏極向源極定向移動(dòng)所受阻力加大力加大(只只 能從夾斷區(qū)的窄縫以較高速度通過(guò)能從夾斷區(qū)的窄縫以較高速度通過(guò))，從，從而導(dǎo)致而導(dǎo)致 iD減??；減?。涣硪环矫?，隨著另一方面，隨著uDS的增的增 大，使大，使 d-s 間的縱向間的縱向電場(chǎng)增強(qiáng)，也必然導(dǎo)致電場(chǎng)增強(qiáng)，也必然導(dǎo)致 iD 增大。增大。實(shí)際上，上述實(shí)際上，上述 iD 的兩種變化趨勢(shì)相抵消，的兩

45、種變化趨勢(shì)相抵消，uDS的增大幾乎全部降落在夾斷區(qū)，用于克服夾斷區(qū)對(duì)的增大幾乎全部降落在夾斷區(qū)，用于克服夾斷區(qū)對(duì)iD 形成的形成的 阻力。阻力。因此，從外部看，在因此，從外部看，在uGD UGS(off)的情況下的情況下即即發(fā)生預(yù)夾斷之后，當(dāng)發(fā)生預(yù)夾斷之后，當(dāng) uDS 增大時(shí)增大時(shí) iD 幾乎不變，即幾乎不變，即 iD 幾乎僅僅決定于幾乎僅僅決定于 uGS ，表現(xiàn)出，表現(xiàn)出 iD 的恒流特性的恒流特性。3當(dāng)當(dāng)uGD UGS(off) 時(shí)，時(shí)，uGS對(duì)對(duì)iD的控制作用的控制作用在在uGD = uGS uDS uGS -UGS(off)的情況下，（預(yù)夾斷之后）的情況下，（預(yù)夾斷之后）當(dāng)當(dāng) uDS

46、為一為一 常量時(shí)，對(duì)應(yīng)于確定的常量時(shí)，對(duì)應(yīng)于確定的uGS ，就有確定，就有確定的的 iD。此時(shí)，。此時(shí)，可以通過(guò)改變可以通過(guò)改變uGS 來(lái)控制來(lái)控制 iD 的大小的大小。由于漏極電流受柵由于漏極電流受柵源電壓的控制，故稱場(chǎng)效源電壓的控制，故稱場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件。應(yīng)管為電壓控制元件。 與晶體管用與晶體管用(= iCiB)來(lái)描述動(dòng)態(tài)情況下基極來(lái)描述動(dòng)態(tài)情況下基極電流對(duì)集電極電流的控制作電流對(duì)集電極電流的控制作 用相類似，場(chǎng)效應(yīng)管用相類似，場(chǎng)效應(yīng)管用用 gm 來(lái)描述動(dòng)態(tài)的柵來(lái)描述動(dòng)態(tài)的柵源電壓對(duì)漏極電流的控制源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。作用。gm 稱為低頻跨導(dǎo)。稱為低頻跨導(dǎo)。 GSDmuig 由

47、以上分析可知：由以上分析可知： (1) 在在uGD = uGS uDS UGS(off) 的情況下，即的情況下，即當(dāng)當(dāng)uDS uGS - UGS(off) (即即 g-d 間未出現(xiàn)夾斷間未出現(xiàn)夾斷)時(shí)，對(duì)時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)于不同的uGS，d-s間等效成不同阻值的電阻。間等效成不同阻值的電阻。 (2) 當(dāng)當(dāng) uDS 使使 uGD = UGS(off) 時(shí)，時(shí)，ds 之間預(yù)夾斷。之間預(yù)夾斷。(3) 當(dāng)當(dāng) uDS 使使 uGD0的情況的情況uGS = UGS(off)時(shí)，時(shí)，在在S端也發(fā)生夾斷，端也發(fā)生夾斷，這時(shí)這時(shí) iD 0稱為夾斷。稱為夾斷。 二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

48、 輸出特性曲線描述當(dāng)柵輸出特性曲線描述當(dāng)柵源電壓源電壓uGS為常量時(shí)，為常量時(shí)，漏極電流漏極電流iD與漏與漏源電壓源電壓 uDS 之間的函數(shù)關(guān)系，即之間的函數(shù)關(guān)系，即 : 常量常量 GSUDSDufi對(duì)應(yīng)于一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)uGS，就有一條曲線，因此輸出特性，就有一條曲線，因此輸出特性為一族曲線為一族曲線 。1. 輸出特性曲線輸出特性曲線圖圖1.4.5 場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)工作區(qū)域場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)工作區(qū)域(1) 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)(也稱非飽和區(qū)也稱非飽和區(qū))：預(yù)夾斷軌道的左邊區(qū)域稱為可變電阻區(qū)，該預(yù)夾斷軌道的左邊區(qū)域稱為可變電阻區(qū)，該區(qū)域中曲線近似為不同斜率的直線。當(dāng)

49、區(qū)域中曲線近似為不同斜率的直線。當(dāng) uGS 確定時(shí)，確定時(shí)，直線的斜率也惟一地被確定，直線斜率的倒數(shù)為直線的斜率也惟一地被確定，直線斜率的倒數(shù)為 d-s 間等效電阻。因而在此間等效電阻。因而在此 區(qū)域中，可以通過(guò)改變區(qū)域中，可以通過(guò)改變 uGS 的大小的大小(即壓即壓 控的方式控的方式)來(lái)改變漏來(lái)改變漏源電阻的阻源電阻的阻值，故值，故 稱之為可變電阻區(qū)。稱之為可變電阻區(qū)。預(yù)夾斷軌跡（發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)，預(yù)夾斷軌跡（發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)，uDS 的值）的值）當(dāng)當(dāng)uGD=UGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道在時(shí)，導(dǎo)電溝道在 D 端夾斷，稱端夾斷，稱為為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。圖中的虛線為圖中的虛線為預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡，它是各條

50、曲線上使，它是各條曲線上使uDS = uGS - UGS(off) 即即 uGD= UGS(off) 的點(diǎn)連接而成的點(diǎn)連接而成的。的。uGS 愈大，預(yù)夾斷時(shí)的愈大，預(yù)夾斷時(shí)的 uDS 值也愈大。值也愈大。uGD = uG uD = uGS - uDS保持保持 uGS 不變，改變不變，改變 uDS ，當(dāng)當(dāng) uDS = uGS - UGS(off) 時(shí)，發(fā)生預(yù)夾斷。時(shí)，發(fā)生預(yù)夾斷。該方程也稱為該方程也稱為預(yù)夾斷點(diǎn)軌跡方程預(yù)夾斷點(diǎn)軌跡方程。uDS = uGS uGD當(dāng)當(dāng) uGD = UGS(off) 時(shí)，時(shí)，導(dǎo)電溝道在導(dǎo)電溝道在 D 端預(yù)夾斷。端預(yù)夾斷。由由 uDS = uGS - UGS(off)

51、 可以算得可以算得當(dāng)當(dāng) UGS（OFF）= - 4V 時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)軌跡如下：時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)軌跡如下：uGS0-1-2-3-4uDS43210在輸出特性曲線上，表示出預(yù)夾斷點(diǎn)軌跡在輸出特性曲線上，表示出預(yù)夾斷點(diǎn)軌跡1 2 34(2) 恒流區(qū)恒流區(qū)(也稱飽和區(qū)也稱飽和區(qū))：圖中預(yù)圖中預(yù) 夾斷軌跡的右邊區(qū)域?yàn)楹懔鲄^(qū)。當(dāng)夾斷軌跡的右邊區(qū)域?yàn)楹懔鲄^(qū)。當(dāng) uDS uGS - uGS(off) (即即 uGDuGS(off) )時(shí)，各曲線近似為時(shí)，各曲線近似為一組橫軸的平行線。當(dāng)一組橫軸的平行線。當(dāng) uDS 增大時(shí)，增大時(shí)，iD 僅略有增大。僅略有增大。因而可將因而可將 iD 近似為電壓近似為電壓 uGS 控

52、制的電流源，故稱該控制的電流源，故稱該 區(qū)域?yàn)楹懔鲄^(qū)。利用場(chǎng)效應(yīng)管作放大管時(shí)，應(yīng)使其區(qū)域?yàn)楹懔鲄^(qū)。利用場(chǎng)效應(yīng)管作放大管時(shí)，應(yīng)使其工作在該區(qū)域。工作在該區(qū)域。(3)夾斷區(qū)：夾斷區(qū)：當(dāng)當(dāng) uGS UGS(th)，建立導(dǎo)電溝道。，建立導(dǎo)電溝道。圖圖1.4.9 uGS為大于為大于UGS(th)的某一值時(shí)的某一值時(shí)， uDS對(duì)對(duì)iD的的影響影響(a)當(dāng)當(dāng) uDS UGS(th) ,導(dǎo)電溝道尚未夾斷，導(dǎo)電溝道尚未夾斷， 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū);(b)當(dāng)當(dāng) uDS = uGS - UGS(th) 時(shí)，時(shí)，uDG = uDS uGS = UGS(th) ,導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷；導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷；(c)當(dāng)當(dāng) uDS uG

53、S - UGS(th) 時(shí)，時(shí)，uDG = uDS uGS = UGS(th) ,夾斷區(qū)延長(zhǎng)，進(jìn)入夾斷區(qū)延長(zhǎng)，進(jìn)入 恒流區(qū)恒流區(qū)；在在 uDS uGS - UGS(TH ) 時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè) uGS 就就有一個(gè)確實(shí)的有一個(gè)確實(shí)的 iD 。此時(shí)可將。此時(shí)可將 iD 視為電壓視為電壓 uGS 控制控制的電流源。的電流源。 預(yù)夾斷軌跡：預(yù)夾斷軌跡：當(dāng)當(dāng) uGD = UGS(th) 時(shí)，發(fā)生預(yù)夾斷。時(shí)，發(fā)生預(yù)夾斷。 uGD = uGS uDS uDS = uGS uGD發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)，發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)，uDS = uGS - UGS(th) 稱為預(yù)夾斷軌跡方程。稱為預(yù)夾斷軌跡方程。2. 特性曲線

54、與電流方程特性曲線與電流方程圖圖1.4.10 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的特性管的特性曲線曲線21)()(thGSGSDODUuIi電流方程電流方程式中：式中：IDO 為為 uGS= 2UGS(th) 時(shí)的時(shí)的 iD 值值 。二、二、N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管三、三、P溝道溝道MOS管管相當(dāng)于相當(dāng)于PNP三極管。三極管。四、四、VMOS管管一種大功率一種大功率MOS管。管。圖圖1.4.12 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型VMOS管的管的結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖圖圖1.4.13 場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性1.4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)由該點(diǎn)求由該點(diǎn)求DDSDSIUR

55、例例1.4.3圖圖1.4.16 例例 1.4.3 電路圖電路圖提示：為使管子工作在恒提示：為使管子工作在恒流區(qū)，應(yīng)使管子工作在預(yù)流區(qū)，應(yīng)使管子工作在預(yù)夾斷狀態(tài)。夾斷狀態(tài)。uDS uGS - UGS(th)1.4.4 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較 場(chǎng)效應(yīng)管的柵場(chǎng)效應(yīng)管的柵 g、源極、源極 s、漏極、漏極d 對(duì)應(yīng)于晶體管的基極對(duì)應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極、發(fā)射極e、集電極、集電極c，它們的作用相類似。，它們的作用相類似。 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管FET源極源極s柵極柵極g漏極漏極d雙極型晶體管雙極型晶體管BJT發(fā)射極發(fā)射極e基極基極b集電極集電極c 場(chǎng)效應(yīng)管用柵場(chǎng)效應(yīng)管用柵源電壓源電壓uG

56、S控制漏極電流控制漏極電流iD，柵極基本不取電流；柵極基本不取電流；而而晶體管工作時(shí)基極總晶體管工作時(shí)基極總要索取一定的電流。要索取一定的電流。因此，要求輸入電阻高因此，要求輸入電阻高的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而若信號(hào)源可以提的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而若信號(hào)源可以提供一定的電流，則可選用晶體管。供一定的電流，則可選用晶體管。從第二章從第二章將會(huì)了解到，利用晶體管組成的放大電路可將會(huì)了解到，利用晶體管組成的放大電路可以得到比場(chǎng)效應(yīng)管更大的電壓放大倍數(shù)。以得到比場(chǎng)效應(yīng)管更大的電壓放大倍數(shù)。 一、場(chǎng)效應(yīng)管是電壓放大器件，一、場(chǎng)效應(yīng)管是電壓放大器件， 晶體管是電流放大器件。晶體管是電流放大器件。二、場(chǎng)效應(yīng)管

57、是單極型器件，二、場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件， 晶體管是雙極型器件晶體管是雙極型器件 場(chǎng)效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；晶體管內(nèi)既有多場(chǎng)效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；晶體管內(nèi)既有多子又有少子參與導(dǎo)電子又有少子參與導(dǎo)電，而少子數(shù)目受溫度、輻，而少子數(shù)目受溫度、輻射等因素影響較大，因而場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的射等因素影響較大，因而場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。所以在環(huán)境條溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。所以在環(huán)境條件變化很大的情況下應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。件變化很大的情況下應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。 三、場(chǎng)效應(yīng)管噪聲比晶體管小三、場(chǎng)效應(yīng)管噪聲比晶體管小 場(chǎng)效應(yīng)管的場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)很小很小，所以低噪聲放，所以低噪聲放大器

58、的輸入級(jí)和要求大器的輸入級(jí)和要求信噪比信噪比較高的電路應(yīng)較高的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)然也可選用特制的低噪選用場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)然也可選用特制的低噪聲晶體管。聲晶體管。 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NF：nosonosiFPPPPN 式中：式中：Psi和和Pso分別為信號(hào)的輸入和輸出功率，分別為信號(hào)的輸入和輸出功率，Pni和和Pno分別為噪聲的輸入和輸出功率。分別為噪聲的輸入和輸出功率。信噪比信噪比定義為放大電路輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比。定義為放大電路輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比。 Noise噪聲噪聲四、場(chǎng)效應(yīng)管漏源可以互換四、場(chǎng)效應(yīng)管漏源可以互換 場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極可以互換

59、使用，互換，互換后特性變化不大；而晶體管的發(fā)射極與集電后特性變化不大；而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差異很大，因此只在特殊需要極互換后特性差異很大，因此只在特殊需要時(shí)才互換。時(shí)才互換。 五、場(chǎng)效應(yīng)管種類多五、場(chǎng)效應(yīng)管種類多 場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的種類多，特別是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的種類多，特別是耗盡型MOS管，柵管，柵源電壓源電壓uGS可正、可負(fù)、可零，均可正、可負(fù)、可零，均能控制漏極電流。因而在組成電路時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管比能控制漏極電流。因而在組成電路時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管有更大的靈活。晶體管有更大的靈活。 六、場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝簡(jiǎn)單，便于集成化六、場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝簡(jiǎn)單，便于集成化 場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管均可

60、用于放大電路和開關(guān)電場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開關(guān)電路，它們構(gòu)成了品種繁多的集成電路。但由于路，它們構(gòu)成了品種繁多的集成電路。但由于場(chǎng)效應(yīng)管集成工藝更簡(jiǎn)單，且具有耗電省、工場(chǎng)效應(yīng)管集成工藝更簡(jiǎn)單，且具有耗電省、工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此場(chǎng)效應(yīng)管越來(lái)作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此場(chǎng)效應(yīng)管越來(lái)越多地應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。越多地應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。 1.5 單結(jié)晶體管和晶閘管單結(jié)晶體管和晶閘管1.5.1 單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管 UJT 一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路P型半導(dǎo)體引出的電極為型半導(dǎo)體引出的電極為發(fā)射極發(fā)射極e；N型半導(dǎo)體